JP2017015972A - 共鳴周波数調整用アダプタ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の開口を備え、該開口に連通した筒部材を備えた箱体から構成され、トンネル内での搬送や設置が容易なヘルムホルツ共鳴器型吸音装置において、筒部材を交換することなく、共鳴周波数（吸音率が最大になる周波数）を所望に低くする等の調整を容易におこなうことのできる共鳴周波数調整用アダプタを提供する。【解決手段】箱体Ｂと、箱体Ｂの一側面に開設された複数の開口Ａと、開口Ａに連通して箱体内に延びる筒部材Ｔと、から構成されるヘルムホルツ共鳴器型吸音装置Ｈに適用される、共鳴周波数調整用アダプタ１０であって、開口Ａを介して筒部材Ｔに嵌り込む筒体１と、筒体１の断面積よりも小さな開口を有して筒体１に備えられたリング体２と、から構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に適用される、共鳴周波数調整用アダプタに関するものである。

山岳トンネル等のトンネルの延伸工事においては、坑口側から順に坑内での発破を繰り返しながらトンネルの延伸作業がおこなわれる場合があるが、この発破の際に生じる発破音は広帯域の周波音を含んでおり、さらに音圧のレベルも極めて高いことが知られている。このような性質の発破音が外部に漏れ出すと、周辺環境への騒音の問題もさることながら、発破音に含まれている周波数50Hz以下のいわゆる低周波音が周辺建物を振動させるといった問題も生じ得る。

このような有害な発破音の漏れ出しを抑制するべく、従来は坑内のたとえば２箇所にトンネル断面を遮断する防音壁を設置するといった対処法が一般におこなわれているが、この方策では、２つの防音壁で囲まれた空間で共振現象によって低周波音を十分に低減できないことをはじめとして遮音性が不十分であり、遮音性のさらなる向上が望まれているのが現状である。

ここで、特許文献１には、トンネル発破音のうちの特に低周波帯域の音（低周波音）についても対処可能な消音技術が開示されている。

この技術は、トンネルの坑口ないし坑内を所定隔壁で閉塞し、一端をトンネル坑内に開口し、他端を閉塞して、それぞれ経路長の異なる複数の管体をこの所定隔壁より切羽側に設置するものである。ここで、トンネル発破音を構成する音のうち、少なくとも低周波音を含む複数の各周波音に関して、該当音の1/4波長の経路長を備えた管体を所定隔壁よりも切羽側に設置することとしている。

このように1/4波長の経路長を備えた管体を使用してたとえば10Hzの低周波音の低減を図ろうとすると、たとえば8.5m程度の長さの管体を必要とし、トンネル内でこのような長尺の管体を収めようとした場合には、管体を途中から折り曲げる等することを余儀なくされる場合が十分に有り得る。なお、特許文献１で開示の技術はこのような管体の折り曲げを積極的におこなおうとするものである。

そして、様々な長さで、かつ上記するように複雑な形状を有する複数の管体をトンネル内で収めようとした場合に、トンネル内で複数の複雑形状の管体が交錯し、トンネル内で重機や作業員の通路が確保できなくなるといった問題も生じ得る。

また、それぞれの管体が個々に固有の３次元形状に曲げられた場合には、それぞれの管体は現在工事中のトンネル工事においてはその延伸過程で転用が可能であるものの、断面寸法や断面形状、縦断線形が確実に異なる他のトンネルへの転用は極めて難しいものとなる。

そこで、特許文献２には、中空の箱形状を成し、箱形状の一つの面に筒状部材を挿入可能な開口を備えた消音装置に関し、滑動可能に嵌合する二つの箱体で構成することができ、筒状部材が箱形状の内部や外部に突出して設置される、発破による騒音を低減する消音装置が開示されている。特許文献２に開示の消音装置によれば、掘削現場の状況に応じて、発破による騒音を効果的に低減することができるとしている。

ところで、この消音装置において、共鳴周波数（吸音率が最大になる周波数）を変更するには、長さの長い異なる筒状部材に取り換える、筒状部材を抜き取って開口を塞ぐ、といった大幅な設計変更が必要になる。この筒状部材は一般に長さが長く（奥行きが大きく）、設置数が多いこともあり得るが、このような場合には上記する交換作業は極めて煩雑になる。

特開２０１１−２５６６０９号公報 特許第５３９８８８３号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、複数の開口を備え、該開口に連通した筒部材を備えた箱体から構成され、トンネル内での搬送や設置が容易なヘルムホルツ共鳴器型吸音装置において、筒部材を交換することなく、共鳴周波数（吸音率が最大になる周波数）を所望に低くする等の調整を容易におこなうことのできる共鳴周波数調整用アダプタを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による共鳴周波数調整用アダプタは、箱体と、該箱体の一側面に開設された複数の開口と、該開口に連通して箱体内に延びる筒部材と、から構成されるヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に適用される、共鳴周波数調整用アダプタであって、前記開口を介して前記筒部材に嵌り込む筒体と、該筒体の断面積よりも小さな開口を有して該筒体に備えられたリング体と、から構成されているものである。

本発明の共鳴周波数調整用アダプタは、筒部材が連通する箱体の開口に取り付け自在なアダプタであり、このアダプタによって筒部材の開口断面積を調整することにより、共鳴周波数を所望に設定可能としたものである。

アダプタは、筒部材に嵌り込む筒体と、筒体の断面積よりも小さな開口を有して筒体に備えられたリング体と、から構成された極めてシンプルな構造を呈している。

ヘルムホルツ共鳴器型吸音装置を構成する箱体には複数の開口が設けられているが、その一部もしくは全部の開口に本発明のアダプタが取り付けられる。

ここで、アダプタを構成する筒体の断面形状は、箱体の開口や当該開口に連通する筒部材の断面形状に相補的な形状を有しており、円形、楕円形、正方形や長方形を含む多角形など、多様な形状形態のものがあり得る。

また、アダプタを構成する筒体において、その一方の端部には外側に広がったフランジが設けられているのが好ましい。

アダプタの一端に外側に広がったフランジが設けられていることで、筒体を箱体の開口を介して筒部材に挿入した際に、フランジが開口のエッジで箱体の外面に係合して筒体を位置決めすることができる。また、筒体が筒部材の奥に入り込んでしまい、取り外し困難になるのを解消することができる。

また、筒体に取り付けられているリング体の開口形状も円形、楕円形、多角形など、多様な形状形態のものがある。

ここで、筒体に対するリング体の取り付け位置は、開口の位置にある筒体の端部、筒体の途中箇所、筒体の箱体内側の端部のいずれであってもよい。

また、前記筒体に通気抵抗材が嵌め込まれているのが好ましい。

この通気抵抗材は、通気性のある吸音材から構成される。箱体の開口および筒部材に取り付けられたアダプタの筒体が通気抵抗材を備えていることで、筒部材が比較的小さな寸法のヘルムホルツ共鳴器型吸音装置であっても、広帯域の周波音の中でも特に低周波音の音圧を効果的に低減可能となる。

すなわち、筒体に通気抵抗材を配設することで、箱体の開口に繋がる筒部材の内部に通気抵抗材が配設されることとなり、この通気抵抗材によって筒部材に気体の流れ抵抗が付与され、吸音される周波数帯域を広げるとともに、吸音効果を最大化することも可能になる。

また、筒部材では低周波音が吸音されるが、共鳴器（箱体）のそれ以外の部分では箱体を構成する面材の板振動等によって中高音域の音の吸音もできることから、より広い周波数帯域の吸音が可能となる。

なお、この吸音性能のある通気抵抗材としては、グラスウール、ウール等からなる粗毛フェルト、アセテートやナイロン等の化繊系のもの、ウレタン系のものや、連続気泡多孔質材などを挙げることができる。

本発明のアダプタが開口に取り付けられた箱体（ヘルムホルツ共鳴器型吸音装置）を複数用意し、横に並べ、縦に積み上げることで所望の寸法のヘルムホルツ共鳴器型吸音装置ユニットが形成でき、このユニットをトンネル内に設置された２つの防音壁の間の空間に設置することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の共鳴周波数調整用アダプタによれば、筒部材が連通する箱体の開口にアダプタを取り付けるだけで筒部材の開口断面積を調整することができ、したがって筒部材を完全に取り換えることを不要とでき、アダプタの取り付けにて共鳴周波数を所望に設定することが可能になる。

本発明の共鳴周波数調整用アダプタをヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付ける状態を示した斜視図である。 共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態１を説明した図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）はヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付けられた状態の縦断面図である。 共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態２を説明した図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）はヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付けられた状態の縦断面図である。 共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態３を説明した図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）はヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付けられた状態の縦断面図である。 共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態４の斜視図である。 本発明の共鳴周波数調整用アダプタをヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に適用した際に、共鳴周波数を低周波数に調整できること、および吸音率が高められることを検証する実験結果を示した図である。 試作した共鳴周波数調整用アダプタの写真図であって、（ａ）は実施の形態１のアダプタを斜めから見た写真図であり、（ｂ）は実施の形態４のアダプタを側方から見た写真図であり、（ｃ）はアダプタがヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付けられた状態を正面から見た写真図である。

以下、図面を参照して本発明の共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態１〜４を説明する。なお、図示例の共鳴周波数調整用アダプタを構成する筒体の形状は筒状であり、リング体の開口の形状も円形であるが、楕円形、多角形等、他の形状であってもよいことは勿論のことである。

（共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態１）
図１は本発明の共鳴周波数調整用アダプタをヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付ける状態を示した斜視図である。

図示するヘルムホルツ共鳴器型吸音装置Ｈは、中空の箱体Ｂと、箱体Ｂの一側面に開設された複数の開口Ａ（図示例は４つ）と、各開口Ａに連通して箱体Ｂの内側に所定長延びた筒部材Ｔと、から大略構成されている。箱体Ｂは金属製であり、筒部材Ｔは金属製や塩ビ製の管が使用される。

開口Ａとこれに連通する筒部材Ｔの組み合わせは、所定の間隔で複数設けられており、開口Ａと筒部材Ｔの断面積や筒部材Ｔの長さは全ての組み合わせで同じであってもよいし、断面積のみ多様に異なる形態であってもよいし、断面積と筒部材Ｔの長さがともに多様に異なる形態であってもよい。これら開口Ａと筒部材Ｔの断面積や筒部材Ｔの長さを調整することで、ヘルムホルツ共鳴器型吸音装置Ｈによって音圧を低減可能な周波音（音波の周波数帯域）を相違させることができる。

図１で示すように、各開口Ａに共鳴周波数調整用アダプタ１０が取り付けられる。

このアダプタ１０は、後述するように筒部材Ｔの断面積を小さくする開口を備えたリング体を有していることで、アダプタ１０を開口Ａに取り付けるだけで、ヘルムホルツ共鳴器型吸音装置Ｈの吸音のピークとなる共鳴周波数を低い周波数に調整することが可能になる。

すなわち、従来のヘルムホルツ共鳴器型吸音装置のように、低い周波数に吸音のピークを調整しようとする際に、箱体の中空（空洞部分）の容積を大きくするとか、筒部材の長さを長くする、もしくは筒部材の断面積全体を小さくする（したがって筒部材そのものを完全に変更する）といった大きな形状変更を要することなく、容易に共鳴周波数の調整を図ることができる。

ここで、図２は共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態１を説明した図であって、図２（ａ）は斜視図であり、図２（ｂ）はヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付けられた状態の縦断面図である。実施の形態１にかかるアダプタ１０は、図２（ａ）で示すように、内径φ１の筒体１と、筒体１の一端において外側に広がるフランジ３と、内側に広がって開口径がφ２（φ２＜φ１）のリング体２と、から構成されている。なお、図示を省略するが、筒体１の外周にシール部材が設けられ、筒体１が筒部材Ｔに挿入設置された際に双方の界面にシール部材が介在する構成であってもよい。なお、φ２＜φ１ではあるが、筒体１を構成する面材の厚みを薄くすることで、φ２とφ１の差は微小になる。

フランジ３とリング体２は一体の環状部材であり、これを筒体１の一端に取り付けることでアダプタ１０が形成される。

筒体１を箱体Ｂの開口Ａを介して筒部材Ｔ内に挿入し、フランジ３が箱体Ｂの外面に係合してアダプタ１０の位置決めが図られ、図２（ｂ）で示す取り付け構造が形成される。

内径φ３（φ３＞φ１、φ２）の筒部材Ｔにアダプタ１０が嵌め込まれることで、筒部材Ｔの開口端部においてその内径がリング体２によって縮径される。

なお、同図から明らかなように、開口Ａへのアダプタ１０の取り付けが容易であることに加えて、開口Ａからのアダプタ１０の取り外しもフランジ３をつまんで容易に取り外すことができる。

（共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態２）
図３は共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態２を説明した図であって、図３（ａ）は斜視図であり、図３（ｂ）はヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付けられた状態の縦断面図である。

実施の形態２にかかるアダプタ１０Ａは、リング体２が筒体１の途中位置に設置されており、他の構成はアダプタ１０と同様である。

内径φ３の筒部材Ｔにアダプタ１０Ａが嵌め込まれることで、筒部材Ｔの途中位置においてその内径がリング体２によって縮径される。

（共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態３）
図４は共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態３を説明した図であって、図４（ａ）は斜視図であり、図４（ｂ）はヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付けられた状態の縦断面図である。

実施の形態３にかかるアダプタ１０Ｂは、リング体２が筒体１の箱体内側の端部に設置されており、他の構成はアダプタ１０、１０Ａと同様である。

内径φ３の筒部材Ｔにアダプタ１０Ｂが嵌め込まれることで、筒部材Ｔの箱体内側の端部においてその内径がリング体２によって縮径される。

（共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態４）
図５は共鳴周波数調整用アダプタの実施の形態４の斜視図である。

実施の形態４にかかるアダプタ１０Ｃは、アダプタ１０の箱体内側の端部において通気抵抗材４が嵌め込まれているものである。なお、アダプタ１０Ａ，１０Ｂの箱体内側の端部に通気抵抗材４が嵌め込まれた形態であってもよい。

通気抵抗材４は、通気性のある吸音材から構成される。箱体Ｂの開口Ａおよび筒部材Ｔに取り付けられたアダプタ１０Ｃの筒体１が通気抵抗材４を備えていることで、筒部材Ｔが比較的小さな寸法のヘルムホルツ共鳴器型吸音装置Ｈであっても、広帯域の周波音の中でも特に低周波音の音圧を効果的に低減可能となる。この通気抵抗材４によって筒部材Ｔに気体の流れ抵抗が付与され、吸音される周波数帯域を広げることが可能となる。

なお、この吸音性能のある通気抵抗材４としては、グラスウール、ウール等からなる粗毛フェルト、アセテートやナイロン等の化繊系のもの、ウレタン系のものや、連続気泡多孔質材などが適用される。

（共鳴周波数の変化と吸音率が高められることを検証した実験とその結果）
本発明者等は、本発明の共鳴周波数調整用アダプタをヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に適用した際に、共鳴周波数を低周波数に調整できること、および吸音率が高められることを検証する実験をおこなった。

実験では、内径９９ｍｍの筒部材に対し、図４で示す形態のアダプタ（リング体の開口φ２が７５〜７７ｍｍ、筒体の内径が９２〜９３ｍｍ）を嵌め込んでなる吸音装置を製作して実施例１とし、実施例１の筒体に通気抵抗材を取り付けてなる吸音装置を製作して実施例２とした。また、箱体の開口にアダプタが取り付けられていない従来の吸音装置を製作して比較例とした。

実験では、吸音構造の開口付近の音響インピーダンスレベルが共鳴周波数で極小値をとる現象を利用し、共鳴周波数を測定した。実験結果を図６に示す。

同図より、比較例の共鳴周波数３４Ｈｚに対し、実施例１，２ともに共鳴周波数は３１Ｈｚ程度となっている。

この結果より、共鳴周波数調整用アダプタをヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に適用することで、共鳴周波数を低周波数に変化できることが実証されている。

また、比較例と実施例１の音響インピーダンスレベルを比較すると、比較例に比して実施例１は音響インピーダンスレベルが好ましい値（40〜50dB）に近づき、したがって吸音率が高くなっていることが分かる。

さらに、実施例１，２を比較すると、実施例１に比して実施例２はさらに音響インピーダンスレベルが高くなり、吸音率が高くなっていることが分かる。

この結果より、共鳴周波数調整用アダプタをヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に適用することで吸音率を高められることが実証され、アダプタが通気抵抗材を具備することで吸音率をさらに高められることが実証されている。

（アダプタの試作）
本発明者等は共鳴周波数調整用アダプタを試作した。図７にその写真図を示す。具体的には、図７（ａ）は実施の形態１のアダプタを斜めから見た写真図である。また、図７（ｂ）は実施の形態４のアダプタを側方から見た写真図である。さらに、図７（ｃ）はアダプタがヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に取り付けられた状態を正面から見た写真図である。

図示するアダプタを箱体の開口に取り付けるのみで、吸音装置の共鳴周波数を所望の低周波数に変化させることができ、吸音率を高めることができる。また、手軽で持ち運びが容易であり、取り付けや取り外しも容易である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…筒体、２…リング体、３…フランジ、４…通気抵抗材、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…共鳴周波数調整用アダプタ（アダプタ）、Ｈ…ヘルムホルツ共鳴器型吸音装置、Ｂ…箱体、Ａ…開口、Ｔ…筒部材

Claims (4)

1. 箱体と、該箱体の一側面に開設された複数の開口と、該開口に連通して箱体内に延びる筒部材と、から構成されるヘルムホルツ共鳴器型吸音装置に適用される、共鳴周波数調整用アダプタであって、
   前記開口を介して前記筒部材に嵌り込む筒体と、該筒体の断面積よりも小さな開口を有して該筒体に備えられたリング体と、から構成されている共鳴周波数調整用アダプタ。
2. 前記リング体が、前記開口の位置にある筒体の端部、前記筒体の途中箇所、前記筒体の箱体内側の端部、のいずれかに備えられている請求項１に記載の共鳴周波数調整用アダプタ。
3. 筒体の一方の端部には外側に広がったフランジが設けられている請求項１または２に記載の共鳴周波数調整用アダプタ。
4. 前記筒体に通気抵抗材が嵌め込まれている請求項１〜３のいずれかに記載の共鳴周波数調整用アダプタ。

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